我们把原子冷却到绝对零度附近，让它像《赌神》周润发那样一步一步慢慢跨进来

科普中国-我是科学家 2020-04-08

　　“冷原子操纵”是中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心教授陈宇翱的研究方向之一。在这项研究中，要把原子冷却到很低的温度，有多低呢？让我们从陈宇翱老师的分享《在世界上最冷的地方操纵原子，用“慢镜头”的方式理解宇宙》中寻找答案吧。

　　以下为陈宇翱演讲实录：

　　我是陈宇翱，来自中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心。

　　我想先问各位一个小问题：地球上最冷的地方在哪里？

　　有人说南极，有人说北极。确实，我们人类所测到的最低温度是在南极，大概是-93℃。

　　但我想告诉大家，其实还有一个更冷的地方：我们实验室。当然，并不是整个实验室都冷，只是其中很小的一块区域——大概10微米×10微米×10微米。10微米是什么概念？一根头发丝的粗细是50微米。

　　那么，这一块区域温度有多低呢？能达到纳K——只比绝对零度（-273.15℃）高了0.000000001K。要知道，太阳表面是6000℃，我们日常喝的水是100℃，二者只差了两个数量级。而我们实验室里这一小块区域的温度，与水相比，低到跨越了十几个数量级。

　　为什么要这么冷？

　　我打个比方：如果要去室外跑步，大家是喜欢暖和的天气，还是寒风凛冽的天气呢？更多人可能还是喜欢在暖和的时候跑步——

　　原子也是这样。原子在温度比较高的时候非常活跃，跑得很快，可是你根本看不清它的动作；但当你把它冷却到绝对零度附近时，原子运动就会非常慢，像电影里的慢镜头，我们就能看清楚原子的运动。

　　我们要在慢镜头下，通过研究原子的运动来理解宇宙。

　　现在提到量子力学时，经常听见有人说“遇事不决，量子力学”。

　　我个人的理解是：但凡遇到什么不可解释的东西，只要冠上量子力学，就总能对外忽悠一下。

　　当然，严格地说，也不能完全叫忽悠。从科学上来讲，任何领域（包括生物、材料、信息，以及刚才郭雪峰老师讲的单分子和丘成桐老师讲的数学）跟量子力学都是在互相促进。比如，人们在研究量子场论的过程中发展了场论和弦论，反过来，场论和弦论的发展也推动了量子力学的发展。所以“遇事不决，量子力学”有它的道理。

　　当然“量子力学”也被很多骗子用来冠于很多名词，比如量子水、量子鞋垫，还有量子波动速读。每次亲友说“听说你们研究了量子水，我朋友说喝了之后腰也不疼腿也不酸”，我都很尴尬——如果量子真的这么有效，大家应该都来中科大跟我学量子力学，既延年益寿，又普及科学。

　　量子到底有没有用？它有用，但并不能立刻见效。

　　那它有用在哪里？在量子信息科学上。过去100年中，人类许多科研成果都源于对量子的研究，比如我们手机里就有七八项得诺贝尔奖的技术。

　　说到量子力学，人们常提到的第二个词是什么？不自量力。千万不要自学量子力学，因为你学不会，而且会越学越糊涂。你要真想学好量子力学，我非常欢迎大家报考中国科学技术大学物理系，会有最好的老师来教导你。

　　量子力学揭示了宇宙的起源和演化。在现有的理论框架下，大爆炸的产生是因为量子涨落——空间中形成了一个奇点，后来发生了爆炸。这个奇点怎么产生的呢？我们还不知道，希望小朋友们未来能够解释它。

　　大爆炸后，从分子、原子产生，一直到后来星系形成，整体都遵循量子力学规律，在更大的时间尺度中还遵循相对论规律。但是非常可惜，这两个伟大的理论在科学上并没能被统一起来。

　　自学学不懂量子力学其实没关系，因为跟着老师学也可能学不懂。

　　为什么？

　　量子力学的创始人之一玻尔（Niels Bohr）说过：“如果谁不对量子论感到困惑，他就没有理解它”。费曼（Richard Feynman）就更绝了，他说：“我想我可以很确定地说：没有人理解量子力学。”

　　所以学不懂问题不大，但还是建议不要自学量子力学，因为可能会误入歧途。

　　简单地介绍一下，量子到底是什么呢？原子其实就是一个量子体系，还包括分子，包括光子，我此刻用的激光笔，每秒钟大概就有10^18个光量子打到屏幕上。

　　量子是构成物质最基本的单位，也是能量最基本的携带者，它最基本的特征就是“不可分割”。分子可以分割成原子，而原子是保持自己基本性质的最小单位，有不同的体现形式——所以从这个角度讲，你要真要说那些骗子骗人，也不能完全是，你喝的水确实有水分子，确实是如假包换的量子水，至于有没有功效，我就不评价了。

　　过去100年，我们对量子力学的应用催生了很多科学。我们认为爱因斯坦是最了解、最懂量子力学的——虽然他反对它。这也应了一句话，“最了解你的往往是你的敌人”。

　　在爱因斯坦跟哥本哈根学派进行量子力学争论的过程中，慢慢有一批人去人工制备量子，由此就发展出一门量子信息科学，即人为操纵量子把信息编码到单个量子态上面。

　　量子力学有很多应用。

　　量子通信

　　它是唯一一种在数学上被证明无条件安全的通信方式，当然里面还有很多需要研究的东西。

　　量子计算与模拟

　　费曼提出，如果把原子编码到底部作为存储器或者运算器的话，通过量子叠加就能拥有超快的计算能力。

　　怎么个超快法？

　　当你能够操纵50个量子的纠缠，就能够超过目前最快运算器（比如太湖之光或者美国Summit）的超算计算能力；当你能够操纵100个量子，获得的计算能力就相当于全中国每人分到100台天河2号。

　　如此，就能有效地揭示复杂物理系统的规律。

　　量子精密测量

　　由于量子可以处在相干叠加态，所以它可以有超越经典极限的测量精度。比如大爆炸，我们现在的理论极限是普朗克时间（10^-34秒），但实际上精度还差了好多数量级。

　　怎么追求进一步的极限呢？

　　量子精密测量领域有一个简单的说法：当你把小数点往后推一位，基本上会发现一个新的物理现象。

　　别人眼中的量子物理学家可能有两个极端：一种像左边这张图，拿了一本宝宝的量子力学书就出来做秀，另外一种如右图，成天穿着白大褂在超净室里做实验，皱着眉头念叨“纠缠”“π粒子飞行”这些事情。

　　但我想告诉大家，右边这张图是摆拍的。现实中我们是怎么工作的呢？更多是像下面这样——

　　这些截图取自于《生活大爆炸》，我非常喜欢这个美剧。我在德国留学的时候，我的同事有一半喜欢一半不喜欢。喜欢是因为它跟自己的生活实在太像了，不喜欢也是因为跟自己太像了。

　　我们每天都在处理些什么事情？收发邮件、跟供应商讨价还价和写不完的报告。右上角这幅图是Seldon他们在黑市买液氦，有时候实在很急，我们也会做类似的事情。

　　我们科研仪器很贵，采购量一般也很大。那么，怎么最大限度地利用很有限的科研经费呢？

　　刚回国的时候，我曾忽悠一个最大公司的光学仪器经销商，说我们未来还会有十几个这样的实验室，劝说他把现在这个做成样板实验室，最后他给我们打了20%的永久性折扣。我还成功说服他放了两台最重要的激光器备机在我们实验室，说市场上如果有人想要用，我们就寄给他，但实际上我们从来没寄过。

　　有时候我们实验要求比较高，市场上没有符合要求的仪器，我们就要跟公司的技术人员不停沟通。有时候他们认为做不了，两手一摊，我们就出主意，说能不能把这个地方修整一下，把那个地方提高点什么东西……很多尖端仪器在互相促进中慢慢发展出来。

　　在很着急的时候，我们甚至会自己动手。比如说我急需一个镜片，但是它运过来可能还要一两个月，怎么办？我就直接拿玻璃片到眼镜店自己割。

　　这就是我的实验室的样子。这样的台子一共有三个，最冷的地方就在那个玻璃腔正中间，就是那个10微米×10微米的一个地方。

　　这么凌乱的实验室里，很多科学实验在有序进行。

　　怎么把原子冷下来呢？要用到“多普勒冷却”。你在火车站的时候，可能已经感受过火车过来和离开的声音不一样，那就是“多普勒频移”。

　　其实光和原子之间也是这样。

　　我们通过调节光的频率，使光只对面向它过来的原子起作用。我把原子放在中间，如果它往上跑，我就在上边打光，踢它一脚，赶它回去；往下跑，就在下边打光。

　　原先原子很热，活跃得很厉害。我们从6个方向打了光之后，原子就慢慢冷下来，这就叫“多普勒冷却”。冷却的极限是0.00001K，但还不够。

　　这张是实际装置，是很古老的资料了。10多年前相机不好，效果也不好，但你可以大致看到中间有一团蓝色的东西，那就是原子。我们通过调光的方向，还可以调节原子的形状，操控原子往哪边跑。

　　进一步冷却需要一个“蒸发冷却”的过程。就像我们喝咖啡，咖啡很烫，我们吹一吹，水蒸发掉之后就能冷下来。原子也一样，让热原子跑掉，剩下的原子进行热平衡，就冷下来了。

　　冷下来之后，我就可以把它装到“晶格”里。我把原子装到一个由6个方向光形成的格点上，跟实际晶格很像，但大了1000倍，所以我可以很精准地看它的动力学过程。

　　演讲嘉宾陈宇翱：《在世界最冷的地方操控原子，用“慢镜头”的方式理解宇宙》

　　为什么要这样做？

　　我可以讲个小故事，虽然真实性待考。当时人们研究无人飞机的时候，飞一架掉一架，飞一架掉一架。苏联皇家科学院就把所有院士集中起来解决问题，他们讨论了三天，最后有一个数学家写了一个公式，画了一张图，他说按照图纸建一个东西，以后飞机就不用上天测试了——这个东西其实就是“风洞”，一打开就会吹风，飞机可以在里面模拟飞行环境。

　　我们也希望通过模拟原子所经历的环境来理解原子行为，这样就能帮助发展包括量子材料、磁性、高温超导、催化反应、高效碳捕获、氮固化等一系列应用。

　　我是怎么喜欢上物理，选择走上这条路的呢？

　　我小时候有一门自然课，我从开始就很喜欢。初二第一次拿到物理课本，我就深深地喜欢上了物理这门学科。等到上高中，我们学校有个高三的师姐得了物理金牌，我觉得她能得到，我也能得到。

　　1998年，我从北京出发踏上冰岛参加比赛，也获得了金牌。

　　第二年我上大学，有点迷茫。恰好冰岛组委会给我一笔钱，邀请我去访问两个月，我就去了。

　　我在冰岛大学才见识到真正的科研，不是书上说的只写写公式。后来我又去德国留学，学习到了他们那些精密的要求，比如你想要1.5圈，他就绝对不会只缠1圈就结束，尽管1圈可能就固定得差不多。我读博士后的实验室十年前造了一个真空环境，十年中，经历了两次搬家，真空环境还跟十年前一模一样。

　　我也把这些思想带回了国，加入了潘建伟老师的团队。我是潘老师第一个学生。

　　潘老师对学生要求非常高。据说他曾犹豫到底要不要收我，因为我当时量子力学差点没有及格。后来有一次讨论的时候，有个东西潘老师算错了，我就直接指了出来。他觉得“不可能”，但看我非常自信，就验算了一下，结果发现真的错了。可能就是因为这点，他觉得这个学生还不错，可以教育一下，就把我留下来了。于是我成了他的第一个学生。

　　后来我们师兄弟就养成了一个很好的习惯，不管谁有错都直接指出，可惜我后来再也没有发现潘老师的错误。我也希望未来我的学生能够指出我的错误，我会很开心。